高原環(huán)境下米勒循環(huán)對(duì)柴油機(jī)燃燒效率和排放的影響

［摘 要］在高原地區(qū)，由于空氣稀薄和極端天氣的影響，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)的性能受到了影響，其中燃燒效率和排放問(wèn)題更加突出。近年來(lái)，隨著排放法規(guī)的嚴(yán)格要求及柴油機(jī)動(dòng)力性能的影響，米勒循環(huán)逐漸引發(fā)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。文章針對(duì)高原環(huán)境下柴油機(jī)運(yùn)用米勒循環(huán)的實(shí)際效果進(jìn)行了深入探討，通過(guò)對(duì)比高海拔地區(qū)（3 000～5 000 m）和低海拔地區(qū)（0～2 000 m）下柴油機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，米勒循環(huán)在高海拔地區(qū)能有效改善柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以顯著降低NOx 等有害排放物的生成，對(duì)于高原地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

［關(guān)鍵詞］高原環(huán)境；米勒循環(huán)；柴油機(jī)；燃燒效率；排放

［中圖分類(lèi)號(hào)］TK401 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0141–03

我國(guó)國(guó)土面積較大，地理環(huán)境復(fù)雜，海拔高度超過(guò)2 000 m 的高原地區(qū)占全部國(guó)土面積的1/3，高海拔地區(qū)具有氣壓低、空氣稀薄等特點(diǎn)，導(dǎo)致汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡劣，不適合其發(fā)展。柴油機(jī)作為全球廣泛采用的動(dòng)力源，具有較高的熱效率和扭矩特性，能夠更好地適應(yīng)高原地區(qū)低溫、低壓、低氧環(huán)境，因此，柴油機(jī)在我國(guó)高原地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。為了應(yīng)對(duì)環(huán)境污染和法律法規(guī)的問(wèn)題，在這種背景下，如何改善高原柴油機(jī)的性能，成為了亟需解決的問(wèn)題。米勒循環(huán)作為一種先進(jìn)的燃燒技術(shù)，通過(guò)改變進(jìn)氣過(guò)程來(lái)優(yōu)化燃燒效率和控制排放，已被證明在平原地區(qū)具有顯著效果。但米勒循環(huán)在高原環(huán)境下的應(yīng)用效果及潛力尚未得到充分的研究和驗(yàn)證，文章對(duì)此展開(kāi)研究。

1 高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)的影響

1.1 氣壓和溫度變化對(duì)燃燒過(guò)程的影響

在高原地區(qū)，由于海拔的升高，氣壓顯著降低?？諝饷芏葴p小，氧氣含量降低，導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣量減少，從而影響燃油的燃燒效率。燃油在氣缸中不能充分燃燒，這直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率下降。此外，低氣壓還會(huì)使燃油蒸發(fā)速度變慢，進(jìn)一步影響燃燒過(guò)程。

同時(shí)，高原地區(qū)的氣溫變化較大。溫度的變化對(duì)柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。在寒冷條件下，潤(rùn)滑油變稠，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行的阻力；而在高溫條件下，過(guò)熱可能導(dǎo)致機(jī)油氧化，降低潤(rùn)滑效果。

1.2 高原環(huán)境對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的影響

高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性有顯著影響，如空氣稀薄導(dǎo)致需更多燃油維持相同的輸出功率，增加了燃油消耗。而不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生更多的碳煙和未燃燒烴類(lèi)物質(zhì)，降低燃油經(jīng)濟(jì)性并加劇環(huán)境污染。高原地區(qū)特有的環(huán)境條件還加劇了排放問(wèn)題，增加了NOx、HC 和PM 等有害物質(zhì)的排放，既污染環(huán)境又影響人類(lèi)健康。

1.3 高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)性能的影響

高原環(huán)境使得柴油機(jī)性能下降，需采取相應(yīng)的策略解決該問(wèn)題，具體而言：①改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)。如安裝渦輪增壓器，增加進(jìn)氣量，改善燃燒效率。②優(yōu)化燃油噴射系統(tǒng)。如采用高精度噴油嘴，提升燃油霧化效果，促進(jìn)充分燃燒。③運(yùn)用先進(jìn)排放控制技術(shù)。如顆粒捕捉器（DPF）和選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)，可減少有害物質(zhì)排放。

2 米勒循環(huán)在柴油機(jī)中的應(yīng)用

2.1 米勒循環(huán)的工作原理

米勒循環(huán)通過(guò)提前關(guān)閉或延后關(guān)閉進(jìn)氣閥，改變了氣缸內(nèi)部的壓縮比。在提前關(guān)閉進(jìn)氣閥的情況下，氣缸內(nèi)部的有效壓縮比降低，而擴(kuò)張比增加。這種改變有助于降低壓縮末期的溫度，從而減少NOx 的生成。同時(shí)，增加的擴(kuò)張比能更有效地利用燃燒后的高溫氣體，提高熱效率。

2.2 米勒循環(huán)對(duì)柴油機(jī)性能的改善

由于高原地區(qū)空氣稀薄，傳統(tǒng)柴油機(jī)的燃燒效率受到了影響。而米勒循環(huán)通過(guò)降低壓縮比，使得燃燒過(guò)程更為平穩(wěn)，減少了未燃燒燃油的排放，從而提高了燃油的利用率。此外，米勒循環(huán)還能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，減少熱損失，進(jìn)一步提升能效。

2.3 米勒循環(huán)在不同類(lèi)型柴油機(jī)中的應(yīng)用案例分析

（1）重型卡車(chē)柴油機(jī)的改進(jìn)。在一款常用于高原地區(qū)的重型卡車(chē)中，采用了改進(jìn)的米勒循環(huán)柴油機(jī)。該車(chē)型在海拔3 000 m 以上的地區(qū)運(yùn)行，原有柴油機(jī)的平均燃油消耗率約為0.45 L/ km。改進(jìn)后，采用米勒循環(huán)的新型柴油機(jī)，其燃油消耗率降低到約0.4 L/ km。同時(shí)，NOx 排放量從6.5 g/km 降低到5.8 g/km。這一改進(jìn)顯著提升了燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)降低了環(huán)境污染。

（2）小型柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用。在引入米勒循環(huán)技術(shù)之前，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的5 kW 柴油發(fā)電機(jī)組在海拔3 500 m 的環(huán)境下，燃油消耗量約為2.5 L/h。采用米勒循環(huán)后，其燃油消耗量降至約2.1 L/h。此外，碳煙排放也顯著下降，從0.3 g/h 降低到0.2 g/h。這一改進(jìn)不僅提高了發(fā)電效率，也減輕了對(duì)高原環(huán)境的影響。

這兩個(gè)案例展示了米勒循環(huán)在不同類(lèi)型柴油機(jī)中的應(yīng)用效果，數(shù)據(jù)對(duì)比突顯了其在高原環(huán)境中提高燃燒效率和減少環(huán)境污染方面的優(yōu)勢(shì)。

3 研究方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試環(huán)境的搭建

為了精確評(píng)估米勒循環(huán)在高原環(huán)境下對(duì)柴油機(jī)性能的影響，在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的高海拔測(cè)試站進(jìn)行了一系列細(xì)致的試驗(yàn)。測(cè)試站位于海拔約4 000 m 的地區(qū)，能夠模擬高原地區(qū)的特殊環(huán)境條件，其中包括降低的氣壓和波動(dòng)的氣溫，這些條件對(duì)柴油機(jī)的性能有著顯著的影響。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部配備了1 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)配置的柴油機(jī)，用于測(cè)試和對(duì)比分析。為了實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的改裝，安裝了米勒循環(huán)改裝套件。這套裝置包括高級(jí)進(jìn)氣控制系統(tǒng)，能夠調(diào)整進(jìn)氣閥的開(kāi)閉時(shí)機(jī)，從而改變氣缸內(nèi)部的壓縮比和燃燒過(guò)程。

此外，實(shí)驗(yàn)室配備了先進(jìn)的燃油消耗和排放測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄柴油機(jī)運(yùn)行狀況，包括燃油消耗率、排放物種類(lèi)和量及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)。為增強(qiáng)試驗(yàn)準(zhǔn)確性，引入數(shù)據(jù)收集與分析系統(tǒng)，包含高精度傳感器和專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)記錄儀器。

3.2 數(shù)據(jù)收集和分析方法

在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)重視數(shù)據(jù)的精確收集和分析。使用的傳感器和儀器應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速及排放物的組成和量。這些數(shù)據(jù)通過(guò)高級(jí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄，確保了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

為了確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每項(xiàng)測(cè)試至少重復(fù)進(jìn)行3 次，這樣做可以有效減少偶然誤差，確保結(jié)果的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。收集到的數(shù)據(jù)隨后通過(guò)專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理。使用先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)和分析方法，如方差分析和回歸分析，來(lái)評(píng)估不同變量之間的關(guān)系和影響。

3.3 試驗(yàn)方案和參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)分為兩部分：①在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，對(duì)比改裝前后柴油機(jī)性能，獲取基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；②在模擬的高原環(huán)境下，進(jìn)行相同的對(duì)比試驗(yàn)。

為模擬高原環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)整氣壓和溫度參數(shù)，覆蓋海拔3 000～5 000 m 的環(huán)境特征，確保試驗(yàn)結(jié)果貼近實(shí)際高原環(huán)境。除了標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件，還特別關(guān)注了米勒循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況（如起動(dòng)、加速、持續(xù)運(yùn)行）下的影響，模擬實(shí)際駕駛中可能遇到的情況，全面評(píng)估米勒循環(huán)在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。

4 研究結(jié)果

米勒循環(huán)對(duì)燃燒效率的影響見(jiàn)表1。

米勒循環(huán)對(duì)排放的影響見(jiàn)表2。

引入米勒循環(huán)顯著提升了柴油機(jī)在高原環(huán)境下的適應(yīng)性，尤其是在冷啟動(dòng)和低溫條件下，改裝后的柴油機(jī)展現(xiàn)出更穩(wěn)定的性能。此外，由于燃油消耗率的降低，改裝柴油機(jī)在高原環(huán)境下的運(yùn)行成本較傳統(tǒng)柴油機(jī)更為經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，減少的有害氣體排放對(duì)于保護(hù)高原脆弱的生態(tài)環(huán)境具有顯著意義，為實(shí)現(xiàn)高原地區(qū)的環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供了重要支撐。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）米勒循環(huán)在高原環(huán)境下的優(yōu)化策略。米勒循環(huán)通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)機(jī)優(yōu)化了燃燒效率和排放性能。在高原環(huán)境中，需采取進(jìn)一步優(yōu)化策略，如使用渦輪增壓器補(bǔ)償空氣稀薄，提高燃油燃燒效率。同時(shí)，優(yōu)化燃油噴射系統(tǒng)，如調(diào)整噴射時(shí)機(jī)和壓力，也對(duì)高原環(huán)境下燃燒效率有顯著影響。

（2）技術(shù)限制和潛在的改進(jìn)方向。盡管米勒循環(huán)在高原環(huán)境下展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)，但仍存在一些技術(shù)限制。例如，米勒循環(huán)可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在某些工作條件下的動(dòng)力輸出下降，尤其是在高負(fù)荷和高速運(yùn)行時(shí)。因此，未來(lái)的研究應(yīng)集中在如何平衡燃燒效率與動(dòng)力輸出之間的關(guān)系，以及如何進(jìn)一步優(yōu)化米勒循環(huán)以適應(yīng)更廣泛的運(yùn)行條件。

（3）米勒循環(huán)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益分析。米勒循環(huán)可提升燃燒效率，減少有害排放，對(duì)高原環(huán)保意義重大。初期成本雖高，但長(zhǎng)期看來(lái)，燃油經(jīng)濟(jì)性提升與維護(hù)成本降低，總體運(yùn)營(yíng)成本將下降。減排對(duì)減輕環(huán)境壓力、改善空氣質(zhì)量作用重大，對(duì)高原可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)顯著。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高原環(huán)境下米勒循環(huán)對(duì)柴油機(jī)燃燒效率和排放的影響十分顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明，米勒循環(huán)有效降低了燃油消耗率并減少了有害排放物，尤其是在模擬的高原環(huán)境中，其改善效果更為顯著。這一發(fā)現(xiàn)不僅為高原地區(qū)的柴油機(jī)優(yōu)化提供了重要的技術(shù)支持，也對(duì)于推動(dòng)該地區(qū)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。盡管存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)和限制，但通過(guò)進(jìn)一步的研究和優(yōu)化，米勒循環(huán)有望成為高原環(huán)境下提升柴油機(jī)性能和環(huán)境友好性的有效手段。

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